不同育种方法对粳型香稻早世代外观品质性状的影响

于深州，赵一洲，王绍林，张 战，倪善君，郭素华，屠 欢，刘琳琳，纪薇薇，张丽丽

(辽宁省盐碱地利用研究所，辽宁 盘锦 124010)

【研究意义】水稻是世界上第二大粮食作物，也是中国最重要的粮食作物之一，在我国粮食生产和消费中处于主导地位，是我国65 %以上人口的主食[1]。随着生活水平的提高，人们对粮食的需求也有新的变化。香稻是栽培稻的特殊类型，因其特有的香味受到广大消费者的青睐，研究者针对香稻育种开展了大量的研究工作，越来越多的国家已将香米作为水稻育种的目标之一。【前人研究进展】印度、巴基斯坦利用杂交方法改良香稻Basmati系统，先后选育出Haryana Basmati-l、Pusa Basmati-l、Basmati198、Basmati385等品种。通过诱变技术，泰国培育出的RD6和RD15等香稻品种的种植面积已占全国水稻总面积的26 %，越南培育出的VND95-20等系列香稻品种已成为越南水稻出口的重点品种。在中国，利用杂交育种技术、辐射诱变技术先后育成中香1号 、湘晚籼5号、天农香103及香粳832、申香粳4号、航香18等香稻品种[2-4]。杂交育种、辐射育种已成为香稻品种选育的主要方法。【本研究切入点】香味是香稻最重要的品质特性[5]，外观品质性状在水稻诸多品质性状中占有重要地位[6]。分析杂交育种、辐射育种2种育种方法在改良香稻品种外观品质性状的特点对提高香稻品种育种效率具有重要意义。【拟解决的关键问题】本研究以香稻品种与非香稻品种杂交育成的早世代群体、香稻品种辐射诱变育成的早世代群体为材料，分析2种育种方法早世代群体香味、外观品质性状的变化情况及性状间的关系，以期为应用不同育种方法改良香稻品种外观品质性状提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料及处理方法

供试材料为香稻品种盐粳939。2016年用60Co-γ射线照射处理香稻盐粳939干种子，剂量为150 Gy，剂量率为25 Gy/min。同时配置香稻和非香稻组合盐粳939×福响，2个品种在粒长、粒宽、粒厚、透明度、垩白粒率、垩白度等6个外观品质性状上差异均达到极显著水平。。

1.2 田间试验及数据测定

杂交育种、辐射诱变育种各世代材料及亲本品种均单株种植于辽宁省盐碱地利用研究所试验田，行株距30.0 cm×13.3 cm。2017年将F1、M1代单株全部移栽大田，成熟后分别收获。2018年种植F2、M2代，群体规模达2000余株，亲本品种种植100余株。成熟后F2、M2代群体随机调查挂牌并对香型株系取样。对照品种随机调查20株。按单株进行外观品质性状测定。

1.2.1 稻米香味性状测定 采用氢氧化钾(KOH)法[7]对盐粳939×福响的F2群体、盐粳939的M2群体单株籽粒进行香味鉴定。在有盖的培养皿中加入10粒糙米，然后加入1.7 % KOH溶液10 mL，迅速盖上盖子，在25～30 ℃环境中静置10 min后，打开培养皿，逐一嗅样品气味，记作香、非香两类。

1.2.2 稻米外观品质性状测定 参照中华人民共和国农业部部颁标准NY147-88《米质测定方法》[8]测定垩白粒率、垩白度。透明度由SDT-A型稻米透明度测定仪直接测出。粒长、粒宽、粒厚用游标卡尺随机测量整精米20粒，计算其平均值。

1.3 数据处理与分析方法

1.3.1 多样性指数 采用Shannon-Wiener多样性指数计算不同性状多样性。先计算各群体全部材料各性状的总体平均值(X)和标准差(δ)，划分为10级，从第1级[Xi<(X-2δ)]到第10级[Xi>(X+2δ)]，每0.5δ为一级，每一级的相对频率用于计算多样性指数。

H′= -∑piln(pi)

式中，H′为多样性指数，pi为某性状第i个级别内材料份数占总份数的百分数，ln为自然对数[9]。

对于材料数量不同群体的多样性比较采用Sheldon修正的Shannon-Wiener多样性指数进行，

H′=(-∑pilnpi)/lnN

式中，N为某群体材料份数，ln为自然对数[10]。

1.3.2 主成分分析 利用Statistica6.0统计软件对F2、M2群体香型株系6个外观品质性状进行主成分分析(principal component analysis, PCA)，并依据引起变异的第1、2、3主坐标做出三维散点图。

1.3.3 典型相关分析 利用Statica6.0统计软件对F2、M2群体香型株系进行外观品质性状的典型相关分析。

2 结果与分析

2.1 F2、M2代香型株系外观品质性状变异比较

通过KOH试验，盐粳939的M2群体共调查166株，其中有香味的株系为107个，占株系总数的64.5 %。盐粳939×福响的F2群体共调查382株，其中香型98株，非香型284株。经χ2测验，盐粳939×福响的F2群体无香对有香符合3∶1的分离比例。

分离世代群体性状频率分布反映了后代群体性状的表现趋势[11]。由图1可见，在粒长、粒宽、粒厚、透明度、垩白粒率、垩白度性状上，F2香型株系变幅分别为4.62～5.45 mm、2.47～3.05 mm、1.83～2.19 mm、0.63～0.81、1.0 %～30.0 %、0.36 %～18.0 %，M2香型株系分别为4.53～5.36 mm、2.38～2.79 mm、1.54～2.16 mm、0.64～0.85、1.0 %～46.0 %、0.1 %～14.6 %。在粒长、粒宽、粒厚、透明度、垩白粒率、垩白度性状上F2香型株系各有44.9 %、57.0 %、34.7 %、26.5 %、28.6 %、36.7 %株系分布在4.8～5.0 mm、2.55～2.65 mm、1.98～2.02 mm、0.71～0.73、7.8 %～11.1 %、2.0 %～4.0 %。M2香型株系各有54.2 %、48.0 %、50.0 %、38.3 %、37.4 %、30.8 %的株系分布在4.7～4.9 mm、2.69～2.84 mm、1.98～2.06 mm、0.73～0.76、5.9 %～11.4 %、1.5 %～3.2 %。

变异频率是性状表型多样性的数量化体现，变异系数越大，性状选择的余地也越广。表型多样性指数则是一个变异分布和频率分布的综合指标[12]，反映了性状类型的丰富程度。在粒长、粒宽、粒厚、透明度、垩白粒率、垩白度性状上，F2、M2香型株系的变异系数分别为3.45 %、4.00 %、3.48 %、5.63 %、62.28 %、90.81 %，3.28 %、2.66 %、4.06 %、5.41 %、70.04 %、81.36 %；Shannon-Wiener多样性指数分别为2.046、1.999、2.094、2.078、1.926、1.273，1.949、1.996、1.829、2.045、1.823、1.820；Sheldon修正的Shannon-Wiener多样性指数分别为0.446、0.436、0.457、0.453、0.420、0.343，0.417、0.427、0.391、0.438、0.390、0.389。

可见，在粒长、粒宽、粒厚、透明度、垩白粒率5个性状上M2香型株系与F2香型株系分布更为集中。在粒长、粒宽、粒厚、透明度4个性状上F2香型株系受双亲影响，更接近高值亲本。在透明度、垩白粒率、垩白度3个性状上，M2香型株系出现高透明度、低垩白的比例较高。F2和M2香型株系中垩白度、垩白粒率变异系数较大，F2香型株系在粒形和透明度上的类型较为丰富，M2香型株系透明度上的类型较为丰富。

2.2 F2、M2代香型株系外观品质性状变化趋势

分别对盐粳939、福响及其F2代香型株系盐粳939及其M2代香型株系进行多变量T2检验。盐粳939、福响与其F2代香型株系、盐粳939与其M2代香型株系外观品质性状F值分别为27.54、35.87、13.90，差异达到极显著水平。表明，F2、M2代香型株系与其亲本在外观品质性状上有极显著差异。F2代香型株系粒长、粒厚极显著高于福响，但与盐粳939差异不显著；粒宽极显著高于盐粳939，但极显著低于福响；透明度极显著高于盐粳939，但与福响差异不显著；垩白粒率极显著低于盐粳939和福响；垩白度极显著低于盐粳939，但与福响差异不显著(表1)。M2代香型株系粒宽、透明度极显著高于盐粳939，垩白粒率、垩白度极显著低于盐粳939(表2)。

表1 盐粳939、福响与其F2代香型株系外观品质性状差异比较

表2 盐粳939与其M2代香型株系外观品质性状差异比较

2.3 F2、M2代香型株系外观品质性状主成分分析

水稻外观品质由多个性状构成，并且性状间存在着相关性，因此有必要从整体上对2种育种方法获得的香稻早世代分离群体外观品质性状进行综合分析。在对6个外观品质性状数据标准化的基础上，采用欧氏距离度量香稻后代个体及与亲本间的形态差异。盐粳939×福响的F2香型株系间欧氏距离系数在0.407～8.897，平均值为2.945。F2各株系与盐粳939的距离系数在9.421～11.181，平均值为9.832；与福响的距离系数在4.300～7.823，平均值为5.266。盐粳939的M2香型株系间欧氏距离系数在0.165～9.230，平均值为2.781。M2各株系与盐粳939的距离系数在10.464～12.039，平均值为10.757。

为考察2种育种方法获得的F2、M2代香型株系数外观品质性状的类型表现，对其进行主成分分析(表3)。以特征根在1.0左右为标准，确定3个主成分，其累计贡献率达到80.0 %。第1主成分特征根为2.321，贡献率为38.7 %，主要由垩白粒率、垩白度决定，是水稻垩白性状的综合反应；第2主成分特征根为1.500，贡献率为25.0 %，主要由粒长、粒宽、粒厚决定，是水稻粒形性状的综合反应；第3主成分特征根为0.977，贡献率为16.3 %，主要由粒长、透明度决定，是水稻粒长与透明程度的综合反应。依据各株系主成分值绘制三维空间散点图(图2)，F2、M2代香型株系分别集中分布于三维图的下方和上方。F2、M2代香型株系在第1、2、3主成分值的变幅分别为-3.483～1.420、-3.700～2.192，-3.504～1.833、-1.637～3.197，-2.996～2.146、-2.029～2.465。可见，F2香型株系外观品质更易容到福响的影响。与M2代香型株系相比F2代香型株系间外观品质性状差异较大，在第1、2、3主成分值上的变化更大。

表3 不同群体香型株系外观品质性状主成分分析

2.4 F2、M2代香型株系外观品质性状典型相关

对F2、M2代香型株系外观品质性状中粒长(x1)、粒宽(x2)、粒厚(x3)和透明度(y1)、垩白粒率(y2)、垩白度(y3)6个性状分别组成粒形和外观性状组，进行2组间的典型相关分析(表4)。入选的典型变量特征值为0.121，贡献率为77.8 %，典型相关系数均达到极显著水平。在典型相关变量构成中,u1和v1中分别以粒长、透明度的权重系数较大。表明，入选的典型相关变量主要是由粒长、透明度所决定。

表4 品质性状间典型相关

在典型相关分析中，通过线性结构变换可以构建以多个性状为目标的综合选择指数，达到间接改良多个性状的目的[13-14]。由于入选典型相关系数达到极显著水平，因此构成的预测模型有效。当选择目标为透明度较高、垩白较低时，其综合选择指数I1= 0.609x1-0.519x2-0.481x3(表5)。

表5 不同组别性状典型线性结构

3 讨 论

香味性状是水稻重要的食味品质，传统香稻品种多为高秆类型，丰产性较差[15]，不能完全满足生产发展的需要。因此，引入香味基因培育出集优质、高产、多抗、广适于一体的香稻品种是解决该问题的主要技术路径。水稻香味性状受细胞核基因控制，与细胞质遗传无关。其遗传机制比较复杂，由于试验材料和研究方法的不同得出不同的遗传模式[16-20]。本研究以香稻品种盐粳939和非香稻品种福响的杂交F2群体单株为试验材料，用KOH法鉴定籽粒香味，盐粳939香味受1对隐性基因控制，香型株系占群体总数的25.7 %。对香稻品种盐粳939的辐射诱变M2群体单株进行鉴定，香型株系占群体总数的64.5 %。可见，相对杂交育种而言，通过辐射育种方式可在香稻分离后代群体中获得较多的香型植株，这为香稻品质改良提供了较好的群体基础。

水稻育种的目的在于选育出与亲本品种有明显区别、符合育种目标的水稻新品种。后代性状分离幅度、表现趋势是后代选择的遗传基础。本研究表明，虽然F2香型株系群体在粒厚、透明度、垩白粒率上的变幅小于M2香型株系群体，但其在6个性状的变异系数平均值、Sheldon修正的多样性指数平均值上均大于M2香型株系群体。F2香型株系群体与盐粳939相比籽粒变宽，透明度提高，垩白粒率、垩白度减少；与福响相比籽粒变长、变窄、变厚，垩白粒率下降。M2代香型株系与盐粳939相比籽粒变宽，透明度提高，垩白粒率、垩白度减少。在粒长、粒宽、粒厚、透明度、垩白粒率5个性状上M2香型株系与F2香型株系分布更为集中。此外，外观品质性状的形态距离和主成分分析表明，F2香型株系间品质性状的形态距离大于M2香型株系间的距离，并且F2代香型株系间外观品质性状差异较大。表明，通过杂交育种获得的香型株系早世代群体遗传多样性更为丰富，通过辐射诱变育种获得的香型株系早世代群体在保持原有品种特性的前提条件下改变单一性状更有优势[21]。这为不同育种方法后代性状选择提供了不同的变异方向和选择空间。

4 结 论

水稻新品种选育是一个综合性的性状选择过程。典型相关分析表明，在杂交育种、辐射诱变育种中早世代香型群体中可通过对粒型的综合选择达到改善垩白和透明度目的。即选择籽粒较长、粒宽和粒厚较小的单株，可获得透明度较高、垩白性状较低的个体，这为香型株系选择指明了方向。